博文
资源生物学及生物制造
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资源生物学及生物制造
杨顺楷
西密歇根州 卡 城
关于《资源生物学及生物制造》的论题，即工业生物技术研发应该如何科学合理地整合进入，并改造传统化学工业，显然是人们关注的话题。它表述的内涵是以实现提高资源利用率，降低能源消耗，达到对环境友好的目标，最终建立起绿色制造生物化工产业发展技术体系，用以替代高能耗三废污染环境的传统旧有生产线，产品应具有广阔市场前景的高附加值营养健康产业必需品。背景基于我国政府已经发布，关于在生物产业规划的通知中明确指出，到2020年生物产业成为国民经济支柱产业。八大重点领域是生物制造、生物医药、生物能源、生物农业、生物材料、生物资源、食品生物技术。
资源生物学：围绕全球人类在生态、环境、社会经济发展所处困境，全球科学家须得通力协作共同破解面临的诸多难题。在这学科高度交叉的时代，希望能在全球性的生态-环境-社会经济发展重大问题上有所突破，达成可持续性发展的平衡状态。因此，发掘生物资源，创新（改进）生物技术，发展多尺度的资源生物学系统集成研究与开发显得十分必要。
生物制造：工业生物催化或生物酶法转化，及其生物加工过程；实现从生命科学过渡到生命工程，实现生物产业的绿色制造。笔者结合自己的职业经历，以两个重要氨基酸的生物制造为例，说明立足我国生物资源，创新自主开发国内外市场前景好的生物化工产品的重要性。
其一，自主创新成果-肉桂酸/酶法生产苯丙氨酸（百吨级规模试制）。菌种：滇西芒果园土壤样品（1992）定向富集分离选育粘红酵母CIBAS A1401；工业试制企业：1998- 2005 绍兴亚美生化，江苏滨海常滨化工和山西晋城金驹煤电化三家企业率先采用本新工艺共计产出2000多吨苯丙氨酸产品，首创我国非粮途径化学（肉桂酸）-酶法工业生产苯丙氨酸记录，有力推动了我国二肽甜味剂阿斯巴甜的产业发展。并指出在我国化学氯碱工业中，深度资源化开发有毒废物（破坏臭氧层）四氯化碳→肉桂酸 →苯丙氨酸→阿斯巴甜（APM）绿色生物制造的重要性，可有力推动我国二肽甜味剂阿斯巴甜产业发展。这对于我国苯丙氨酸发酵产业发展，节粮代粮意义重大，发酵产业是耗粮大户，即国情决定了创新非粮途径的重要意义；并论述了红酵母苯丙氨酸解氨酶（PAL）生物制造平台建设，在深度开发芳族氨基酸产品方面的价值。
其二，茶氨酸的酶法合成。茶氨酸（g-谷氨酰乙胺）作为一种植源性非蛋白氨基酸（茶叶中存在仅有1-2%含量），绿茶中的鲜香成份。鉴于它在食品，保健品以及医药行业的广泛用途，至少对其生物功能研究涵盖8个方面，即神经保护作用，改善记忆和认知功能障碍，抗抑郁，镇静/抗焦虑，保护肝脏，抗肿瘤，降血压，以及增强人体免疫力。显然对其市场需求量越来越大。我国谷氨酸发酵产业规模世界第一，产能达200万吨，仅以梅花集团和阜丰生物两家公司的谷氨酸（L-Glu）产能就达到120万吨/a。如今每年百万吨级谷氨酸产品不得不作为低值轻化工及食品调味剂（味精）产品进入国内外市场。如何经过工业生物技术的研发，将此大宗低值谷氨酸产品资源，借助生物转化手段，深度开发延伸产业链，发展成为高值国内外市场看好的L-茶氨酸产品，就成为国内外医药保健品市场生物制造研发的首选项目。
分子克隆与遗传重组：经过评估，选择g-谷氨酰甲胺合成酶（GMAS）酶法转化谷氨酸（钠）和乙胺，结合ATP能量转移体系合成L-茶氨酸技术路线。借助生物信息学手段，检索设计出来自专性甲基营养菌的GMAS酶基因序列，并重组到大肠杆菌宿主菌，构建成具有目标酶的基因工程重组菌；菌种经过高通量筛选，选出高活力菌株；并在生物反应器体系构建一ATP再生系统，即采用串联表达多聚磷酸激酶（PPK），腺苷酸激酶（Adk）和多聚磷酸腺苷酸转移酶（PaP）联合催化多聚磷酸盐产生ATP实现ATP再生，为L-茶氨酸生物合成反应提供能量；通过对发酵参数优化，实现了该基因工程菌的高密度高酶活发酵培养工艺（100L发酵罐）；直接适时收获细胞物作为生物催化剂，菌体收率达到120g/L。利用II级发酵培养法，在30℃，pH8.0条件下，采取底物流加补料策略，实现全细胞酶法生物转化底物谷氨酸钠，盐酸乙胺，结合外源ATP-再生体系，酶促合成目标产物L-茶氨酸，产物浓度达44.81g/L，摩尔转化率80.16 %。目前已经在工艺稳定基础上，进入茶氨酸酶法工业化试生产阶段，初步在30立方米发酵罐规模酶法转化达到L-茶氨酸40g/L的可喜结果。可见采用g-谷氨酰甲胺合成酶的基因工程菌整细胞酶法转化技术途径合成L-茶氨酸，较之国内近年利用谷氨酰转肽酶（g-GGT）技术途径匆忙上生产线归于失败的教训 ，显然本条酶法生物制造L-茶氨酸具有较高的技术-经济性；现行市场价化学法产品160元/公斤，酶法产品(=茶叶提取高纯度天然物产品）价位应该高于化学法产品数倍，国际市场售价高达1000元/kg。
感悟与认知：多尺度认识了解自然资源的生物学特征，即从宏观形态学-显微或电镜下的细胞学-生理生化-分子细胞生物学到DNA及其相关组学；生物资源的静态到动态生物学特征， 即遗传学/结构生物学，及相关生理生化认知：从物种或种群-个体的进化到DNA分子进化，DNA的分子改造发展到合成生物学；资源生物学职能就是科学合理开发自然资源，为人类的健康和高质量生活提供物质保障，建立起生态型家园—《生物制造》就是必不可少的技术手段，即酶基因分子克隆与遗传重组，发展到合成生物技术高级阶段。
（本文是依据本年5月18日在中科院成都分院举办的科学沙龙报告整理）
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